(57)【要約】相変化材料による熱管理および空気による熱管理を組み合わせた階段式電池熱管理システムであって、電池における熱管理技術分野に属し、該管理システムは主に、ベース、カバー、外側リブ、内側リブ、上部相変化材料箱、中部相変化材料箱、および下部相変化材料箱によって構成されている。電池の間には内部に異なる相変化材料が充填されている複数の相変化材料箱がそれぞれ取付けられており、各相変化材料箱の前後両側面には密度および長さの異なる複数行の外側リブが間隔を置いて配置されており、相変化材料箱の内部側板には複数行の内側リブが間隔を置いて配置されており、電池の電極から離れている内側リブの密度は電池の電極に近接する位置の内側リブの密度より高い。相変化材料により冷却および空気による冷却の２つの熱管理技術を有機的に組み合わせて、電池から発生する熱が高効率に放熱され、相変化材料、リブの階段式配置を利用して、単一電池内部および電池間の温度差を効果的に減少し、単一電池および電池パックの温度均一性を増加させる。温度制御および均温化効果が明らかで、構造がコンパクトであり、取り付けおよびメンテナンスに便利である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相変化材料による熱管理および空気により熱管理を組み合わせた階段式の電池熱管理システムであって、
ベース（１０１）と、
ベース（１０１）に設けられた複数の電池（１０４）と、
を含み、
複数の電池（１０４）はグループに分けられてベース（１０１）に間隔を置いて配列されており、前記ベース（１０１）上にはカバー（３０１）が設けられており、前記複数の電池（１０４）の電極側はカバー（３０１）に近接するように上向きに置かれており、間隔を置いて配列された電池（１０４）の間には内部に異なる相変化材料が充填されている複数の相変化材料箱がそれぞれ設けられており、各相変化材料箱の前後両側面には密度および長さの異なる複数行の外側リブ（１０８）が間隔を置いて配置されており、同一行に位置する外側リブ（１０８）は空気の流れ方向に沿って長さおよび密度が階段式に分布されており、出気口（３０３）附近に位置する外側リブ（１０８）の分布密度および長さは入気口（３０２）附近に位置する外側リブ（１０８）の分布密度および長さより大きく、相変化材料箱の内部側板には複数行の内側リブ（５０１）が間隔を置いて配列されており、電池の電極から離れている内側リブの密度は電池電極に近接している内側リブの密度より高く、前記外側リブ（１０８）の配列の密度は鉛直下方向に沿って徐々に小さくなっており、電池の電極から離れている相変化材料箱の外側リブは電極に近接している相変化材料箱の外側リブより密度が高く、前記電池（１０４）、相変化材料箱、ベース（１０１）とカバー（３０１）との間の隙間は空気ダクトを構成している、
ことを特徴とする相変化材料による熱管理および空気による熱管理を組み合わせた階段式の電池熱管理システム。
【請求項２】
前記ベース（１０１）には複数の電池（１０４）を固定するベース凹溝（１０３）が設けられており、ベース（１０１）の周りにはカバー（３０１）に相応するベースねじ孔（１０２）が設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の相変化材料による熱管理および空気による熱管理を組み合わせた階段式の電池熱管理システム。
【請求項３】
前記カバー（３０１）内部の上側には電池および上部相変化材料箱に対応するカバー凹溝（３０５）が設けられており、カバー（３０１）の端部縁にはベースねじ孔（１０２）に対応するカバーねじ孔（３０４）が設けられており、カバー（３０１）の左右両側には入気口（３０２）および出気口（３０３）がそれぞれ設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の相変化材料による熱管理および空気による熱管理を組み合わせた階段式の電池熱管理システム。
【請求項４】
前記複数の相変化材料箱の数および相変化材料は電池の特性および所在されている動作環境によって定まれており、２〜４個である、ことを特徴とする請求項１に記載の相変化材料による熱管理および空気による熱管理を組み合わせた階段式の電池熱管理システム。
【請求項５】
前記複数の相変化材料箱の上部相変化材料箱の上下両端面はいずれも上部材料箱突起を有し、下部相変化材料箱の上端面には上部材料箱突起または中部材料箱突起に相応する凹溝が設けられており、かつ下端面は下部材料箱突起を有し、上部相変化材料箱と下部相変化材料箱との間の中部相変化材料箱の上端面には上部材料箱突起に相応する凹溝が開設されており、下端面は下部相変化材料箱に相応する突起を有している、ことを特徴とする請求項１に記載の相変化材料による熱管理および空気による熱管理を組み合わせた階段式の電池熱管理システム。
【請求項６】
前記各相変化材料箱の電池と接触する位置にはいずれも絶縁熱伝導層が塗布されている、ことを特徴とする請求項１に記載の相変化材料による熱管理および空気による熱管理を組み合わせた階段式の電池熱管理システム。
【請求項７】
前記複数行の内側リブ（５０１）は、高い熱伝導能力を有するステンレス、銅アルミニウム合金または低炭素鋼によって製造されている、ことを特徴とする請求項１に記載の相変化材料による熱管理および空気による熱管理を組み合わせた階段式の電池熱管理システム。
【請求項８】
前記複数行の内側リブ（５０１）の分布密度は階段式であり、鉛直下方向に沿って密度は徐々に小さくなっている、ことを特徴とする請求項１または７に記載の相変化材料による熱管理および空気による熱管理を組み合わせた階段式の電池熱管理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池における熱管理技術に関し、特に、相変化材料による熱管理および空気による熱管理を組み合わせた階段式の電池熱管理技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池は高いエネルギー密度および出力密度を有するエネルギー蓄積素子であり、電気自動車の動力源として幅広く応用されている。しかしながら、充放電過程において、電池内部における電気化学反応は大量の熱を生じうる。局部に蓄積された熱により電池の温度が高すぎて、熱暴走状態になりうるため、電池が自然発火し、ひいては爆発してしまい、人の安全を脅かす。また、電池の電極附近の電気化学反応がより激しいため、電池の温度を不均一にし、電池のサイクル寿命を大幅に短縮させる。電池の作動信頼性を保証するとともに電池のサイクル寿命を延長し、電気自動車の全体的性能を向上させ、持続的な発展を実現するためには、合理的な電池熱管理システムを設計し、電池の正常動作温度を維持するとともに温度の均一性を向上させなければならない。
【０００３】
近年、空気冷却、液体冷却、ヒートパイプおよび相変化材料などの温度制御技術は、すでに電池熱管理への応用に成功し、電池の動作温度を大幅に低下させている。しかしながら、熱管理システムの伝熱性能の向上により電池発熱の相違性が拡大され、電池の局部の温度差をさらに大きくし、電池サイクルの使用需要に満たすことが難しく、電気自動車のランニングコストを増加させている。電気自動車の走行距離の増加に伴い、電池温度の均一性は電池熱管理システムに対してさらに厳しい要求を出している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、従来技術に存在する問題に鑑みてなされたものであり、劣悪な動作環境においても電池の動作温度を維持でき、温度の均一性を向上できる相変化材料による熱管理および空気による熱管理を組み合わせた階段式の電池熱管理システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る相変化材料による熱管理および空気による熱管理を組み合わせた階段式の電池熱管理システムは、ベース、ベースに設けられた複数の電池を含み、複数の電池はグループに分けられてベースに間隔を置いて配列されており、前記ベース上にはカバーが設けられており、前記複数の電池の電極側はカバーに近接するように上向きに置かれており、間隔を置いて配列された電池の間には内部に異なる相変化材料が充填されている複数の相変化材料箱がそれぞれ設けられており、各相変化材料箱の前後両側面には密度および長さの異なる複数行の外側リブが間隔を置いて配置されており、同一行に位置する外側リブは空気の流れ方向に沿って長さおよび密度が階段式に分布されており、出気口附近に位置する外側リブの分布密度および長さは入気口附近に位置する外側リブの分布密度および長さより大きく、相変化材料箱の内部側板には複数行の内側リブが間隔を置いて配列されており、電池の電極から離れている内側リブの密度は電池の電極に近接している内側リブの密度より高く、前記外側リブの配列の密度は鉛直下方向に沿って徐々に小さくなっており、電池の電極から離れている相変化材料箱の外側リブは電極に近接している相変化材料箱の外側リブより密度が高く、前記電池、相変化材料箱、ベースとカバーとの間の隙間は空気ダクトを構成している。
【０００６】
前記ベースには複数の電池を固定するベース凹溝が設けられており、ベースの周りにはカバーに相応するベースねじ孔が設けられている。
【０００７】
前記カバー内部の上側には電池および上部相変化材料箱に対応するカバー凹溝が設けられており、カバーの端部縁にはベースねじ孔に対応するカバーねじ孔が設けられており、カバーの左右両側には入気口および出気口がそれぞれ設けられている。
【０００８】
前記複数の相変化材料箱の数および相変化材料は電池の特性および所在されている動作環境によって定まれており、２〜４個である。
【０００９】
前記複数の相変化材料箱の上部相変化材料箱の上下両端面はいずれも上部材料箱突起を有し、下部相変化材料箱の上端面には上部材料箱突起または中部材料箱突起に相応する凹溝が設けられており、かつ下端面は下部材料箱突起を有し、上部相変化材料箱と下部相変化材料箱との間の中部相変化材料箱の上端面には上部材料箱突起に相応する凹溝が開設されており、下端面は下部相変化材料箱に相応する突起を有している。
【００１０】
前記各相変化材料箱の電池と接触する位置にはいずれも絶縁熱伝導層が塗布されている。
【００１１】
前記複数行の内側リブは、高い熱伝導能力を有するステンレス、銅アルミニウム合金または低炭素鋼によって製造されている。
【００１２】
前記複数行の内側リブの分布密度は階段式であり、鉛直下方向に沿って密度は徐々に小さくなっている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、相変化材料による熱管理および空気による熱管理を合理的に組み合わせており、構造がコンパクトであり、取り付けやすく、後でメンテナンスする際に電池および相変化材料箱の交換が便利である。電池の電極附近における高い発生熱は上記上部相変化材料箱内の高い熱伝導性能を有する相変化材料によって放熱され、その他の位置の発生熱は上記中部および下部相変化材料箱によって放熱され、単一電池の動作温度を維持するとともに電池の温度均一性を保証する。上記相変化材料箱の外側リブの分布を利用することで単一電池の温度の均一性をさらに向上させることができる。階段式に配置された外側リブは空気ダクト方向に沿って段階的に電池放熱を強化することができるため、電池間の温度差を減少し、電池パックの温度均一性を向上させる。本発明における熱管理技術は良好な均温化能力を有し、構造が簡単で、高効率であり、環境に優しく、コストが低く、メンテナンスが便利であり、拡張性に優れ、モジュラー生産に便利であり、電気自動車などの交通輸送手段およびエネルギー貯蔵発電所などの大型設備の熱管理要求に満たすことができ、幅広い市場への応用見通しがある。その主な利点は、次のとおりである。本発明は相変化材料および空気を合理的に組み合わせ、相変化材料、内側リブおよび外側リブの階段式配置を利用して、電池から発生する熱が段階的に放熱され、放熱量が大きく、放熱速度が速く、効果的に単一電池の温度均一性を向上させ、電池間の温度差を減少し、構造が簡単且つコンパクトであり、電池および相変化材料箱の取り付けおよびメンテナンスが便利であり、拡張性がよく、安全であり高効率などの利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の構造図である。
【図２】図１におけるベースの構造図である。
【図３】図１の構造をカバーするカバーの構造図である。
【図４】本発明の外側リブの分布を示す図である。
【図５】本発明の上部相変化材料箱の内部を示す図である。
【図６】本発明の中部相変化材料箱の内部を示す図である。
【図７】本発明の下部相変化材料箱の内部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら、実施例に合わせて本発明についてさらに詳しく説明する。
図１に示すように、本発明に係る相変化材料による熱管理および空気による熱管理を組み合わせた階段式の電池熱管理システムは主に、ベース１０１、カバー３０１、外側リブ１０８、内側リブ５０１、上部相変化材料箱１０５、中部相変化材料箱１０６、下部相変化材料箱１０７によって構成されている。図２に示すように、複数の電池１０４はベース１０１に設けられており、複数の電池１０４は２つのグループ（パック）に分けられてベース１０１に間隔を置いて配列されており、各グループの電池は４つあり、上記ベース１０１上にはカバー３０１が設けられており、電池１０４の電極側は電極がカバー３０１に近接するように上向きに置かれており、上記ベース１０１には複数の電池１０４および下部相変化材料箱１０７を固定するベース凹溝１０３が設けられており、ベース１０１の周りにはカバー３０１に相応するベースねじ孔１０２が設けられている。図３に示すように、上記カバー３０１内部の上側には電池および上部相変化材料箱に対応するカバー凹溝３０５が設けられており、カバー３０１の端部縁にはベースねじ孔１０２に対応するカバーねじ孔３０４が設けられており、上記カバー３０１内部の上側には凹溝が有り、電池および上部相変化材料箱に対応し、カバー３０１の左右両側には入気口３０２および出気口３０３がそれぞれ設けられている。上記複数の電池１０４の電極側は上向きに置かれており、電極はカバー３０１に近接しており、間隔を置いて配列された電池１０４の間には内部に異なる相変化材料が充填されている複数の相変化材料箱がそれぞれ設けられており、上記相変化材料箱の数および相変化材料は電池の特性および所在されている動作環境によって定まれており、一般的には２〜４個であり、各相変化材料箱の上記電池と接触する位置にはいずれも絶縁熱伝導層が塗布されている。図１に示すように、相変化材料箱は上部、中部、下部の３つであり、図５に示すように、上記上部相変化材料箱１０５の上下両端面はいずれも上部材料箱突起４０３を有し、上部相変化材料箱１０５の上部材料箱突起４０３および電池１０４はカバー凹溝３０５に嵌入されることができる。図６に示すように、中部相変化材料箱１０６の上端面には上部材料箱突起４０３に相応する中部材料箱凹溝６０１が開設されており、下端面は中部材料箱突起６０２を有し、図７に示すように、下部相変化材料箱１０７の上端面は中部材料箱突起６０２に相応する下部材料箱凹溝７０１を有し、下端面は下部材料箱突起４０１を有し、下部相変化材料箱１０７は下部材料箱突起４０１を介してベース凹溝１０３に固定されている。図４に示すように、各相変化材料箱の前後両側面には密度および長さの異なる複数行の外側リブ１０８が間隔を置いて配置されており、同一行に位置する外側リブ１０８は空気の流れ方向に沿って長さおよび密度が階段式に分布されており、出気口３０３附近に位置する外側リブ１０８の分布密度および長さは入気口３０２附近に位置する外側リブ１０８の分布密度および長さより大きい。図５に示すように、相変化材料箱の内部側板には複数行の内側リブ５０１が間隔を置いて配列されており、上記複数行の内側リブ５０１の分布密度は階段式であり、鉛直下方向に沿って密度は徐々に小さくなっている。内側リブ５０１は、高い熱伝導能力を有するステンレス、銅アルミニウム合金または低炭素鋼によって製造されている。電池電極から離れている内側リブの密度は電池の電極に近接している内側リブの密度より高く、上記外側リブ１０８の配列の密度は鉛直下方向に沿って徐々に小さくなっており、電池の電極から離れている相変化材料箱の外側リブは電極に近接している相変化材料箱の外側リブより密度が高く、上記電池１０４、相変化材料箱、ベース１０１とカバー３０１との間の隙間は空気ダクトを構成している。
【００１６】
上記相変化材料箱の数は２つまたは２つ以上であり、本実施例では３つの相変化材料箱を例としている。異なる相変化材料箱の内部には熱伝導性能の異なる相変化材料が満たされており、相変化材料の熱伝導率係数、相変化潜熱は階段式に分布され、鉛直下方向に沿って徐々に小さくなり、電池の電極から離れているところに充填された相変化材料の熱伝導率係数、相変化潜熱は電極に近接する位置より高く、単一電池の温度均一性を効果的に制御する。相変化材料は複合有機相変化材料、複合無機相変化材料およびカプセルタイプの相変化材料であってもよい。相変化材料箱は相変化材料の漏洩を防止することができる。
【００１７】
相変化材料箱内にはいずれも内側リブ５０１が設置されており、相変化材料箱の伝熱性能を向上させる。鉛直下方向に沿って密度は徐々に小さくなっており、電池の電極から離れている内側リブ５０１の密度は電極に近接している内側リブの密度より高く、単一電池の温度差を減少させる。相変化材料箱および内側リブはアルミナセラミックスなどの高熱伝導絶縁材料を採用することができ、内側リブは棒状であってもよい。
【００１８】
ベース１０１に開設された凹溝１０３は、電池１０４および下部相変化材料箱１０７を固定するのに用いられ、ねじ孔１０２が設置されており、カバー３０１におけるねじ孔３０４に対応し締め付けられている。カバー３０１、ベース１０１内部の隙間部分は空気ダクトを構成することができ、カバー３０１には入気口３０２および出気口３０３が設置されている。カバーおよびベース材料は、軽量且つ高熱伝導性の銅、低炭素鋼およびアルミニウム合金などの材料を選択してもよい。
【００１９】
相変化材料箱の両側に配置された外側リブ１０８は、空気と相変化材料箱との間の接触面積を増加させる。外側リブ１０８の密度は鉛直下方向に沿って徐々に小さくなっており、電池の電極から離れている相変化材料箱の外側リブ１０８は、電極に近接している相変化材料箱の外側リブ１０８より密度が高く、電池の電極附近領域の放熱を強化し、単一電池の温度均一性を向上させる。
【００２０】
空気の流れ方向に沿って、同一水平位置の相変化材料箱両側の外側リブ１０８の密度および長さは階段式に分布されており、同一水平位置の相変化材料箱の外側リブは空気の流れ方向に沿って長さおよび密度が階段式に分布されており、出気口３０３附近位置の外側リブの密度および長さは入気口３０２附近の外側リブの密度および長さより大きく、空気ダクトの下流に位置する電池の放熱を強化し、上流側の電池と下流側の電池との間の温度差を減少し、電池パック全体の温度均一性を向上させる。外側リブの材料は高い熱伝導能力を有するステンレス、銅アルミニウム合金および低炭素鋼を使用してもよい。
【００２１】
絶縁熱伝導剤４０２は、主に電池と相変化材料箱との間の接触熱抵抗を減少し、伝熱性能を向上させ、高い熱伝導率係数を有する熱伝導シリコーングリースおよび絶縁熱伝導両面テープを採用する。
【符号の説明】
【００２２】
１０１  ベース、
１０２  ベースねじ孔、
１０３  ベース凹溝、
１０４  電池、
１０５  上部相変化材料箱、
１０６  中部相変化材料箱、
１０７  下部相変化材料箱、
１０８  外側リブ、
３０１  カバー、
３０２  入気口、
３０３  出気口、
３０４  カバーねじ孔、
３０５  カバー凹溝、
４０１  下部材料箱突起、
４０２  絶縁熱伝導剤、
４０３  上部材料箱突起、
５０１  内側フィン、
６０１  中部材料箱凹溝、
６０２  中部材料箱突起、
７０１  下部材料箱凹溝。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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